Аммиак может стать основой устойчивого развития энергетики будущего . Но до недавнего времени производство аммиака было чрезвычайно энергоемким. В основе каждого аммиачного завода — стальные реакторы, в которых до сих пор используется вековой рецепт производства аммиака: процесс Габера-Боша.
Рецепт предусматривает создание давления до 250 атмосфер для разрыва химической связи, которая удерживает вместе молекулы азота, а затем объединение атомов с водородом для получения аммиака.
В 2018 году Дуглас Макфарлейн, профессор химии в Университете Монаша в Австралии, разработал топливные элементы, которые могут преобразовывать возобновляемую электроэнергию в аммиак. Топливные элементы обычно используют энергию, хранящуюся в химических связях, для производства электричества. Топливные элементы MacFarlane работают в обратном направлении, производя безуглеродное топливо из электричества.
«Это вдыхание азота и выдыхание аммиака», — сказал Макфарлейн, показывая свой топливный элемент. Она размером почти с хоккейную шайбу и покрыта нержавеющей сталью. Две пластиковые трубки на задней стороне ячейки подают в нее газообразный азот и воду. У него есть шнур питания для электричества и третья трубка на передней панели, которая бесшумно выдыхает аммиак.
Использование потенциала аммиака как безуглеродного топлива
Аммиак — бесцветный, едкий и раздражающий газ. Человеческое тело производит аммиак, который необходим для создания белков и других сложных молекул. В природе почва также производит аммиак посредством бактериальных процессов. При разложении органических веществ, таких как растения и животные, также образуется аммиак.
Большая часть производимого в мире аммиака используется в качестве удобрений. Растения нуждаются в азоте для роста и плодоношения, а аммиак доставляет этот азот в более биологически доступной форме. (Связано: органические удобрения можно использовать для увеличения урожайности растений, выращиваемых в севообороте .)
Компании по всему миру ежегодно производят аммиак на сумму 60 миллиардов долларов, в основном в качестве удобрений. Однако текущий метод, используемый для производства аммиака, процесс Габера-Боша, очень мало изменился с момента его разработки в начале 1900-х годов. Он потребляет огромное количество ископаемого топлива и вызывает загрязнение воздуха.
Обратные топливные элементы MacFarlane могут позволить производителям аммиака полностью отказаться от этого энергоемкого и экологически вредного метода и более эффективно производить аммиак в процессе.
Но топливные элементы MacFarlane могут делать больше, чем просто помогать фермерам выращивать продукты питания. Преобразуя возобновляемую электроэнергию солнца и ветра в богатый энергией газ, который можно легко охладить и сжать в жидкое топливо, элементы эффективно «сдерживают» солнечный свет и ветер, превращая их в товары, которые можно отправлять по всему миру.
После этого безуглеродное топливо в бутылках можно преобразовать обратно в электричество или водород для двигателей автомобилей. И самое лучшее в топливе — то, что оно экологически безвредно. «Жидкий аммиак — это жидкая энергия», — сказал Макфарлейн. «Нам нужны экологически чистые технологии».
Исследования также показывают, что объемная плотность энергии аммиака почти вдвое выше, чем у жидкого водорода, его основного конкурента в качестве экологически чистого альтернативного топлива. Аммиак также намного проще перевозить и распространять. «Вы можете хранить его, отправлять, сжигать и преобразовывать обратно в водород и азот», — сказал Тим Хьюз, исследователь накопителей энергии в Siemen, производственной компании, базирующейся в Англии. «Во многих отношениях это идеально».
Учитывая потенциал аммиака как чистого, экологичного и безуглеродного топлива, эксперты в настоящее время работают над концепцией «экономии аммиака ». И Австралия позиционирует себя во главе этих усилий.
Во-первых, древние засушливые ландшафты Австралии — благодатная почва для новых растений. Кроме того, Австралия получает больше солнечного света на квадратный метр, чем любая другая страна. Его южное и западное побережья также подвержены сильным ветрам. В целом страна может похвастаться потенциалом возобновляемых источников энергии в 25 000 гигаватт.
И если ученые воспользуются этим возобновляемым богатством, аммиак может стать наиболее доминирующей формой возобновляемой и транспортируемой энергии в будущем.